Надеюсь, что в этой попытке написать научно-популярную статью мне удалось докопаться до некоторой истины... Однако, судить вам, читатель.
Электричество — такая же вечная тема для учёных, как и Бог для верующих людей. Только в отличие от Бога, электричество можно ощутить, его действие можно даже увидеть глазами а также с помощью приборов, вследствие этого его можно изучать, его можно подчинить воле человека и, наконец, электрическую энергию можно поставить на службу человеку. Это и было сделано ещё в 19 веке, когда были открыты электромагнетизм, электромагнитная индукция, изобретены электрические трансформаторы, электрические лампы, электрические реле и электрические двигатели, и т.п. Когда в том же 19 веке была открыта возможность генерации радиоволн, а потом и возможность их приёма на некотором удалении от источника, началась новая эра человечества — «Эра Радио».
Итак, чего же, на мой взгляд, изначально недопоняли учёные 19 века, что привело к недопониманию последующими поколениями физиков ряда других явлений и эффектов? Каких именно? Об этом я расскажу в середине своего повествования.
А для начала, вспомним о таком явлении как электростатика.
Электростатика — раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов.
В 1836 году английский учёный Майкл Фарадей заметил, что избыточный заряд на заряженном пустотелом проводнике любой формы локализуется лишь на его внешней стороне и не оказывает никакого влияния на предметы, находящиеся внутри полого проводника.
Из этого следовало, что, если сделать из хорошо проводящей электричество проволоки большую клетку и посадить в неё человека, то даже удары молнии по этой клетке не причинят человеку никакого вреда. Что и демонстрирует практический опыт, представленный на этой фотографии:
К такому убеждению Майкл Фарадей и пришёл в 1836 году, когда он с помощью электроскопа, измеряющего электрический потенциал заряженных тел, смог удостовериться в том, что внутри металлической клетки электрического заряда нет. Если металлическая клетка заряжена статическим электричеством, положительным или отрицательным, весь заряд находится исключительно на наружной стороне металлической клетки.
Почему так?
В электронной энциклопедии сказано: «Принцип работы клетки Фарадея очень простой — при попадании замкнутой электропроводящей оболочки в электрическое поле свободные электроны оболочки начинают двигаться под воздействием этого поля. В результате противоположные стороны клетки приобретают заряды, поле которых компенсирует внешнее поле...» Источник.
На мой взгляд, это неполное объяснение. Оно касается лишь частного случая, когда клетка Фарадея находится вблизи заряженного статическим электричеством некоего тела. Но это не ответ на поставленный вопрос. К тому же, любые тела можно электризовать (заряжать) непосредственно перемещая на них электрические заряды, изъятые из другого заряженного тела.
Поэтому вопрос остаётся открытым: почему избыточный заряд на заряженном пустотелом проводнике любой формы локализуется лишь на его внешней стороне, и почему на внутренней стороне заряженного полого тела заряда нет?
Само это наблюдаемое явление — заряд локализуется на наружной стороне тела — позволило американскому физику Роберту Ван де Граафу создать в 1929 году высоковольтный электрический генератор, названный впоследствии его именем.
Как работает генератор Ван де Граафа, объясняет приведенная ниже схема: электрические заряды (статическое электричество) порционно вносятся внутрь проводящей сферы с помощью электризуемой кольцевой ленты, движущейся по двум направляющим роликам. Внутри сферы электрические заряды также порционно снимаются с ленты с помощью специальной металлической щётки, и они моментально переходят на наружную сторону проводящей сферы, создавая на ней высокую плотность электрических зарядов, характеризуемую высокой электрической напряжённостью.
«Простой генератор Ван де Граафа состоит из диэлектрической (шёлковой или резиновой) ленты (4 на рисунке), вращающейся на роликах 3 и 6, причём верхний ролик диэлектрический, а нижний металлический и соединён с землёй. Один из концов ленты заключён в металлическую сферу 1. Два электрода 2 и 5 в форме щёток находятся на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причём электрод 2 соединён с внутренней поверхностью сферы 1. Через щетку 5 воздух ионизируется от источника высокого напряжения 7, образующиеся положительные ионы под действием силы Кулона движутся к заземлённому 6 ролику и оседают на ленте, движущаяся лента переносит заряд внутрь сферы 1, где он снимается щёткой 2, под действием силы Кулона заряды выталкиваются на поверхность сферы и поле внутри сферы создается только дополнительным зарядом на ленте. Таким образом на внешней поверхности сферы накапливается электрический заряд. Возможность получения высокого напряжения ограничена коронным разрядом, возникающим при ионизации воздуха вокруг сферы.»
Как видите, всё гениальное — просто! А в данном случае до примитива просто!
Первый такой генератор создавал разность электрических потенциалов до 80 тысяч Вольт. А самый мощный генератор Ван де Граафа, созданный в ХХ веке, создавал электрическое напряжение до 7 миллионов Вольт. Источник.
Однако, давайте разбираться, почему избыточный заряд на заряженном пустотелом проводнике любой формы локализуется лишь на его внешней стороне, и почему его нет на внутренней стороне полого тела?
Наука говорит: «В металлах имеется огромное число свободных электронов, которые могут перемещаться по всему объёму металла».
Хорошо, это знание принимается к сведению! Но в нашем случае получается, что избыточные свободные электроны, которые делают тело заряженным, не хотят перемещаться по всему объёму металла, они располагаются только на его наружной поверхности.
В учебниках физики по этому поводу написано: «электрические заряды, сообщённые телу извне, в состоянии равновесия распределяются так, что электрическое поле внутри проводника отсутствует».
Смотрите, опять есть констатация факта, но нет его объяснения, почему? При этом в тех же учебниках сообщается очень важный нюанс: «заряды располагаются в поверхностном тонком слое проводника и характеризуются поверхностной плотностью зарядов».
Если добавить к этому, что заряды противоположного знака притягиваются друг к другу, а заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а свободные электроны — это заряды одного знака, то картина более-менее становится понятной.
Посмотрите сейчас на рисунок справа, на котором представлено через картину электрических силовых линий взаимодействие двух одноимённых зарядов. Вы видите белое поле между зарядами, свободное от силовых линий? Это нейтральная зона, в которой электрические силы скомпенсированы взаимным противодействием зарядов одного знака!
Возьмём теперь не заряды, а заряженную статическим электричеством прямолинейную проволоку произвольной длины. Если изобразить электрическое поле вокруг неё, то при взгляде с торца прямой проволоки, заряженной положительным или отрицательным электричеством, мы увидим точно такую же картину силовых линий электрического поля, какую создаёт и одиночный точечный заряд.
А если мы теперь свернём проволоку в кольцо и тоже зарядим его статическим электричеством, то картина силовых линий электрического поля вокруг кольца будет примерно такой:
Также эту картину силовых линий электрического поля нетрудно представить объёмной, понимая, что здесь мы рассматриваем кольцо, обращённое к нам боком.
Таким образом, этот рисунок — отличное объяснение, в силу каких причин внутри заряженного проволочного кольца или внутри заряженного проводящего цилиндра, электрическое поле отсутствует.
Что даёт нам это знание?
Сейчас поймёте. Считайте, что это была разминка для ума. Давайте теперь нарисуем в своей голове следующую умозрительную картину:
«В металлах имеется огромное число свободных электронов, которые могут перемещаться по всему объёму металла (это раз), но не могут без особых причин покинуть пределы металла. Если нет проводника свободных электронов, то покидать металл они могут только при коронном разряде, при фотоэффекте или при сильном нагреве металла (это два). Учёные говорят, что счёт свободных электронов в металлах идёт на миллиарды штук на один кубический миллиметр (это три). При этом свободные электроны пребывают в состоянии вечного дистанцирования друг от друга, так как они обладают зарядами одного знака, а зарядам одного знака свойственно отталкиваться друг от друга (это четыре). В силу всего этого под воздействием разных факторов (воздействие стороннего электрического или магнитного поля на металлическое тело или перенос зарядов с тела на тело) свободным электронам свойственно упорядоченно перераспределяться внутри металлических проводников (это пять), с образованием электрического тока (это шесть), но прежде всего им свойственно перераспределяться на наружной поверхности проводников (электростатический «скин-эффект» — это семь), причём это перераспределение происходит с высокой скоростью, величина которой не может превышать скорость распространения в проводниках электрического поля, которая в свою очередь равна скорости света (это восемь).»
Если мы вдумчиво проанализируем эту нашу умозрительную мозаичную картину, состоящую из 8 «пазлов», то мы поймём, что присутствующие во всех металлах в огромных количествах свободные электроны образуют в заряженных телах этакий «электрический флюид» (о существовании которого впервые была высказана догадка ещё в 18 веке, кстати, Бенджамином Франклиным, лик которого изображён на 100 долларовых банкнотах США). Этот «электрический флюид», мало того, что он обладает высокой текучестью, также обладает некоторой плотностью и внутренним давлением. Вот только в отличие от всех жидкостей или газов, он удерживается под давлением (под электрическим напряжением) не внутри электропроводящих тел, а на их наружной поверхности.
Естественной ёмкостью для сбора (накопления) этого вездесущего «электрического флюида» является любая электропроводная поверхность.
В быту мы обычно называем ёмкостью — внутренний объем того или иного сосуда: банки, ведра или канистры, к примеру. Однако, в электротехнике понятие электрическая ёмкость — это характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд на своей поверхности.
Таким образом, мы можем представить себе, что все металлические тела представляют собой для электричества «сосуды, вывернутые наизнанку». Их можно наполнять «электрическим флюидом», имеющим свойства текучей жидкости, но собирается эта «электронная жидкость» на наружной поверхности этих сосудов. И вот это свойство всех электропроводных тел накапливать на своей наружной поверхности электрический заряд, и было названо учёными электрической ёмкостью.
Теперь вдумайтесь. С одной стороны, присутствующие во всех металлах в огромных количествах свободные электроны образуют в заряженных телах этакий «электрический флюид», обладающий высокой текучестью, некоторой плотностью и даже массой (ведь каждый отдельно взятый электрон обладает массой 9,10⋅10⁻³¹ кг), с другой стороны, этот «электрический флюид» накапливается на наружной поверхности электропроводных тел.
Но ведь это же как вода, налитая в блюдце до краёв и имеющая открытую поверхность! А на ней, на открытой поверхности, как мы знаем, могут образовываться волны!
Причём волны, которые образуются на поверхности воды, являются поперечными. Поперечная волна – это волна, при распространении которой смещение частиц среды происходит в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.
Вникаем внимательно. Наш «электрический флюид», когда он накапливается на наружной поверхности электропроводных тел, также имеет открытую поверхность (как и вода в океане или вода, налитая в блюдце). А это значит, что на поверхности заряжаемых и перезаряжаемых электропроводных тел (обладающих естественной электрической ёмкостью) в переходные моменты всегда образуются поперечные волны поверхностной плотности зарядов. Причём, как и все упругие волны, они могут быть бегущими, а в некоторых случаях стоячими.
Справка: «Упругие волны — это распространяющиеся возмущения упругой среды. Среда является упругой, если между её частицами существует взаимодействие — возникают силы упругости, препятствующие её деформации. Возмущение упругой среды — это отклонение частиц среды от положения равновесия».
В нашем случае упругая среда, в которой возникают упругие поперечные волны, — это «электрический флюид», находящийся на поверхности заряженных электропроводных тел и состоящий из миллиардов свободных электронов, между которыми действуют силы взаимного отталкивания (Кулоновские силы).
Причём, как я уже сказал, поперечные волны (равно как и продольные волны) могут быть бегущими, а могут быть стоячими.
Бегущие волны образуются всегда при любом возмущении упругой среды. А вот стоячие волны образуются в особом случае – при наложении друг на друга двух встречных бегущих волн с одинаковой длиной и амплитудой. Этот особый случай наступает, например, когда бегущая волна отражается от преграды и движется в противоположную сторону. Тогда падающая на преграду волна превращается в отражённую волну, движущуюся навстречу падающей волне. Вот когда падающая и отражённая волны встречаются и накладываются друг на друга, тогда и образуется стоячая волна.
Продольные волны, которые возникают в толще упругих сред, тоже могут образовывать стоячие волны, когда имеет место отражение бегущих продольных волн от препятствий или от неоднородностей. Об этом я расскажу чуть позже. Продольные волны электрического поля образуются внутри проводов всякий раз, когда по ним протекает переменный электрический ток.
Итак, если мы будем заряжать и перезаряжать прямолинейный незамкнутый проводник (статическим электричеством, например, как в случае с генератором Ван де Граафа), то на его поверхности будут возникать поперечные волны поверхностной плотности электрических зарядов, а в случае цилиндрической формы проводника – поперечно-радиальные волны поверхностной плотности электрических зарядов. При этом в толще проводника будут возникать продольные волны электрического поля. Причём скорость и тех и других волн равна скорости света.
Интересно, не правда ли?
Так вот, поперечные волны поверхностной плотности электрических зарядов, благодаря тому, что они взаимодействуют с открытым пространством, с внешней средой, и порождают в ней радиоволны, уходящие от передающей антенны прочь всё дальше и дальше в открытое пространство со скоростью 300.000 км/с.
В этом и состоит суть работы на излучение так называемого «открытого колебательного контура», отличающегося от «закрытого колебательного контура» тем, что в последнем поперечные волны поверхностной плотности электрических зарядов образуются в закрытом пространстве (в зазоре между пластинами двухполюсного конденсатора.
Я проштудировал многие учебники физики, излучал электродинамику и в конце концов пришёл к выводу, что такую картину излучения радиоволн радиопередающей антенной ещё никто до сих пор почему-то не рассматривал, хотя российские инженеры точно знают о волнах поверхностной плотности электрических зарядов.
Доказательство тому — книга российского физика И.Мисюченко «Последняя тайна Бога», в которой есть такие мысли: «…Если в одном месте проводящей поверхности тем или иным способом нарушить равновесную плотность носителей заряда, то носители придут в движение, стремясь восстановить утраченное равновесие. Поскольку носители инерционны, то процесс восстановления может носить волновой и даже резонансный характер. По всей видимости, Никола Тесла именно этот способ пытался положить в основу не только глобальной всемирной связи, но и энергетики. Поведение подобных поверхностных волн изучено всё ещё плохо. Следует отметить, что поверхностная волна электронной плотности сопровождается и «обычной» электромагнитной волной, и переменным электрическим полем, и специфическими магнитными полями. Такое обилие сопутствующих процессов препятствует объективному изучению явления...»
Вот оно, оказывается как! «Поведение подобных поверхностных волн изучено всё ещё плохо…» При этом теория излучения радиоволн «вибраторами Герца» или «полуволновыми диполями», считается полностью объяснённой шотландским физиком Д.К.Максвеллом (автором «Электромагнитной теории света») и немецким физиком Г.Герцем (первооткрывателем радиоволн).
Так может, всё-таки, механизм излучения радиоволн таки не раскрыт до конца?!
Вспомним, историю. В 1887 году немецкий физик Генрих Герц экспериментально открыл радиоволны, изучая новое явление — возникновение электрических токов в незамкнутых цепях. Герцу посчастливилось тогда открыть явление излучения радиоволн благодаря явлению электрического резонанса, возникающего в установке, названной впоследствии «вибратором Герца». Давайте рассмотрим, что это была за установка Герца, названная впоследствии «вибратором Герца».
Перед вами на рисунке тот самый электрический «вибратор Герца», имеющий собственную резонансную частоту. С его помощью Герцем и были экспериментально открыты радиоволны, которые регистрировались петлеобразным регистратором, расположенным на расстоянии нескольких метров от излучателя.
Вибратор Герца состоял из двух симметричных электропроводных плеч, расположенных соосно и зеркально друг другу. Каждое из плеч вибратора состояло из проводника (металлического стержня или трубки), на внутренний конец которого был надет маленький сферический наконечник, а на наружный конец проводника была насажена большая металлическая сфера, имеющая большую площадь наружной поверхности, и, соответственно, значительно большую, чем у проводника, электрическую ёмкость.
К этой установке Герца прилагался ещё высоковольтный индуктор — катушка Румкорфа, вырабатывающая переменное электрическое напряжение до 200 тысяч Вольт с частотой колебаний 10-30 раз в секунду.
Запитывание установки от высоковольтного индуктора происходило в непосредственной близости от маленьких сферических наконечников, представляющих собой электрический разрядник, величина воздушного зазора которого определяла напряжение электрического пробоя.
Теперь самое важное. После пробоя разрядника (т.е. образования искры, обладающей низким электрическим сопротивлением. Иначе говоря, искра является проводником, соединяющим накоротко тела, заряженные электричеством разного знака) эта установка вдруг начинала излучать короткие по длительности и затухающие по амплитуде радиоволны на собственной резонансной частоте, которая составляла миллионы колебаний в секунду!
В процессе исследования работы своего «вибратора» а также радиоволн, которые он излучает, Герц пришёл к выводу, что резонансная частота «вибратора» определяется геометрической длиной его электропроводящих плеч, и связано это в первую очередь с образованием на этой геометрической длине стоячей продольной волны электрического поля.
Именно благодаря использованию катушки Румкорфа и искрового разряда для запитывания «вибратора Герца» было выяснено, что у него есть собственная резонансная частота, и что он интенсивно излучает радиоволны, длина которых ровно в два раза превышает суммарную длину плеч «вибратора Герца». (1-я гармоника, см. рисунок выше). Отсюда его второе название в радиотехнике и в физике — «полуволновой вибратор».
Повторюсь, резонансная частота излучающего «диполя Герца» или «полуволнового вибратора» определяется суммарной длиной его электропроводящих плеч, и связано это с возможностью образования на этом линейном участке стоячей продольной волны электрического поля. Это было очевидным и для самого Герца, и для всех тех физиков, которые повторяли его опыты. При этом о поверхностных волнах электронной плотности на наружных поверхностях излучающих проводников никто тогда не подозревал. А значит, ни сам Герц, ни его последователи не имели тогда полного представления о механизме излучения радиоволн, и, следовательно, их теоретические объяснения процесса излучения радиоволн (до сих пор признаваемые истиной в последней инстанции) могут быть в той или иной степени ошибочными.
Однако, этот вопрос сегодня, почему-то не волнует ни нашу, ни мировую науку.
Последующий опыт радиоинженеров показал, что, «вибратор Герца» а также его производные и модификации лучше всего запитывать от источника синусоидального сигнала с частотой, близкой или равной резонансной частоте излучающего диполя.
По этой причине более века радиоинженеры и радиолюбители конструировали приёмопередающие антенны, линейные размеры которых они старались по возможности подогнать к длине волны, исходя из знания и опыта, что лучше всего излучает радиоволны симметричный полуволновой диполь или его модификация – вертикальный четвертьволновый штырь с заземлённым противовесом.
Приведенный рисунок, на котором показано распределение тока и напряжения в четвертьволновой антенне объясняет, что благодаря использованию земли в качестве второго плеча диполя, такая конструкция всё равно работает как «полуволновый резонатор», хотя в нём излучает радиоволны только одно четвертьволновое плечо.
И вот представьте теперь, что однажды одному американскому радиоинженеру, которого зовут Тэд Харт, пришла в голову идея пересмотреть концепцию приёмопередающих антенн и не привязывать их размеры к длине излучаемой или принимаемой волны.
То есть, Харт решил отказаться от практики использования стоячей продольной волны электрического поля в антенне, и попытаться построить малогабаритные, но тоже резонансные антенны-диполи, размеры которых в 20-40-80 и даже в 100 раз меньше (!) размеров «полуволнового вибратора».
Чтобы эффективность этих сильно уменьшенных антенн была приближена к эффективности полуволнового вибратора, нужно было выполнить ряд важных условий. В первую очередь ёмкость сильно укороченных плеч диполя надо увеличить за счёт увеличения их площади наружной поверхности. Для этого в качестве излучателей нужно использовать не тонкую проволоку, а металлические цилиндры большого диаметра или металлические пластины. Вместе с этим плечи сильно укороченного диполя нужно запитывать электричеством под значительно большим электрическим давлением (напряжением) чем подаётся напряжение на полуволновой вибратор. В антеннах Харта это делается с помощью повышающего автотрансформатора с большим коэффициентом трансформации.
Повышающий высокочастотный автотрансформатор, в виде проволочной катушки с отводом, обладающий определённой индуктивностью, а также ёмкость наружных поверхностей пластин или цилиндров, которые выполняют роль симметрично расположенных плеч диполя, образуют LC-резонансный колебательный контур, имеющий, как выяснил Хард, две резонансных частоты, отстоящих недалеко друг от друга. Об этом нюансе я расскажу чуть позже.
Тэд Харт рассчитал размеры этой антенны для частоты 10,1 МГц (длина волны – 30 метров). Согласно чертежу, наибольшая длина (ширина) плоской антенны Харта (он её назвал ЕН-антенной) для частоты 10,1 МГц составляет 0,46 метра. При этом антенна излучает а также улавливает радиоволны длиной 30 метров. Таким образом, в сравнении с полуволновым вибратором, работающим на той же частоте, ЕН-антенна Харта имеет габариты в 32,6 раза меньшие! При той же эффективности излучения!
Вот только подводить к ней мощность более 100 Ватт проблематично, величина напряжения питания пластин или цилиндров диполя достигает таких значений, что между пластинами или цилиндрами может возникнуть коронный разряд. Однако, и этой мощности вполне хватает, чтобы проводить сеансы радиосвязи по всему земному шару.
Как я уже сказал, у ЕН-антенны, как оказалось, имеется две резонансных частоты, отстоящих недалеко друг от друга, одна частота резонанса – нерабочая, другая – рабочая. Нерабочая частота резонанса находится легко, с помощью ВЧ-генератора и высокоомного вольтметра. Но на этой частоте ЕН-антенна имеет мизерный КПД. Рабочая же резонансная частота ЕН-антенны находится намного труднее, только с помощью специальных приборов или, как минимум, с помощью индикатора поля.
С чем это связано? Плечи диполя ЕН-антенны имеют не только полезную ёмкость наружной поверхности, обращённую в открытое пространство, но и паразитную ёмкость, которая естественным образом возникает между самими излучающими плечами диполя. Паразитная ёмкость также возникает между излучающими плечами диполя и землёй, между излучающими плечами диполя и питающим антенну кабелем, между излучающими плечами диполя и близко расположенными предметами…
Вот все эти ёмкости (полезные и паразитные) складываются вместе и в составе LC-резонансного контура создают нерабочую резонансную частоту антенны. Ну а рабочая резонансная частота ЕН-антенны, соответственно, складывается из индуктивности питающего автотрансформатора и той полезной ёмкости плеч диполя, которая обращена в открытое пространство и работает на его возбуждение.
Как понял Тэд Харт в ходе экспериментов с изобретённой им антенной, её настройка – это целое искусство. Но, кто имеет терпение, обязательно добьётся успеха. После того, как Тэд Харт рассказал о своём изобретении в радиолюбительской литературе и объяснил при этом, как нужно правильно настраивать ЕН-антенны, в России их смогли изготовить и настроить сотни радиолюбителей.
На этой фотографии Тед Харт с изобретённой им ЕН-антенной, имеющей высоту ~ 1 метр. Сама ЕН-антенна настроена на частоту 14 МГц (λ – 20 метров).
Как радиолюбителям построить и самим успешно настроить ЕН-антенну, можно узнать на сайте российского радиоинженера и радиолюбителя В.В.Кононова, который уже много лет их конструирует для разных нужд, в том числе и для российских военных.
Естественно, как только Тэд Харт добился успеха, перед ним сразу встал вопрос: как объяснить принцип работы ЕН-антенн?
Было очевидно, что свойства ЕН-антенны сильно отличаются от свойств полуволнового вибратора. Главное отличие между ними, как заметил сам Тэд Харт, заключается в следующем:
В полуволновом диполе электрическое поле Е и магнитное поле Н рассредоточены по всей длине полотна излучателей, при этом между ними имеется сдвиг по фазе равный 90 градусов. Причём по утверждению классиков «Электродинамики», в полуволновом диполе «радиоволна формируется на расстоянии нескольких длин волн от полотна антенны». Последнее утверждение, на мой взгляд, есть большое заблуждение учёных, создававших в начале ХХ века теорию работы полуволнового вибратора и не ведавших о «поверхностных поперечных волнах электронной плотности», которые возникают на наружных поверхностях излучающих проводников.
Распределение полей Е и Н в полуволновом вибраторе графически можно описать так:
Максимуму напряжения соответствует минимум тока в полуволновом вибраторе, а минимуму напряжения соответствует максимум тока. Сдвиг фаз – 90 градусов.
В ЕН-антенне, как установил Тэд Харт, поля Е и Н почти не имеют сдвига по в фазе. Он минимален. При этом очевидно, что радиоволны рождаются непосредственно на открытых поверхностях плеч диполя.
Рисунки взяты из статьи В.В.Кононова «Распределение полей в ЕН-антенне».
Что доказывают эти наблюдения, оформленные в графики?
Только то, о чём я рассказал в самом начале.
В полуволновом диполе при запитывании его переменным напряжением высокой частоты возникают сразу две стоячих волны. Одна возникает на наружной поверхности полотна плеч диполя, это поперечная волна поверхностной плотности электрических зарядов, а в случае цилиндрической формы проводника – это поперечно-радиальная волна поверхностной плотности электрических зарядов. Другая стоячая волна возникает под ней, в толще проводников, образующих плечи диполя. Это продольная волна электрического поля, которая собственно и определяет геометрическую длину полуволнового вибратора.
Сейчас уже понятно, что продольная волна электрического поля является для процесса излучения радиоволн лишь вспомогательным фактором. Она делает полуволновой диполь резонансным, и вместе с тем она порождает паразитное магнитное поле (в своё время гений электричества Никола Тесла назвал его «побочным продуктом» в деле излучения радиоволн), которое хорошо маскирует радиоволну вблизи полуволнового диполя. Вот почему учёные ХХ века пришли к выводу, что при работе на излучение полуволнового диполя «радиоволна формируется на значительном удалении от него». Однако, как я уже сказал, это большое заблуждение!
Разумеется, радиоволна порождается непосредственно на поверхности плеч полуволнового диполя, равно как и на поверхности плеч диполя ЕН-антенны. Её порождает поперечная волна поверхностной плотности электрических зарядов. Но, в полуволновом диполе её маскирует для исследователей продольная волна электрического поля, возникающая в толще излучающих проводников полуволнового диполя. Вот и весь секрет этого феномена.
Смотрим ещё раз на график распределения полей в ЕН-антенне:
Почему пусть и небольшой сдвиг фаз между полями Е и Н, но всё же имеется?
Вспомним о коэффициенте линейного укорочения ЕН-антенны по сравнению с полуволновым вибратором. Это может быть и 10, и 20, и 30, и 60 и 80 раз! В данном конкретном случае укорочение ЕН-антенны против полуволнового диполя было 20-кратным. Соответственно, поскольку в трубчатых или пластинчатых диполях ЕН-антенны продольная волна электрического поля тоже возникает (без неё никуда, они же имеют линейные размеры), но её путь короче длины излучаемой волны в 40 раз, то и сдвига фаз между полями Н и Е в 90 градусов не может никак получится. Вот почему по факту в ЕН-антеннах имеет место сдвиг фаз между полями Е и Н всего в несколько градусов.
Какой же вывод следует из всего этого?
Вывод такой: во всех дипольных антеннах на излучение работают поперечные волны поверхностной плотности электрических зарядов, которые, по утверждению современного российского физика И.Мисюченко, ещё плохо изучены учёными.
Моя предыдущая статья на эту тему «Забытая правда о ёмкостных антеннах».
6 сентября 2021 г. Мурманск. Антон Благин
Оценили 34 человека
57 кармы